加载中…是的，斯蒂芬·霍金对我们所有人撒了黑洞怎样衰变的谎
(2022-05-10 13:03:43)
标签：
it杂谈 |
是的，斯蒂芬·霍金对我们所有人撒了黑洞怎样衰变的谎
资深撰稿人 Ethan Siegel
资深撰稿人小组
Jul 9, 2020,02:00am EDT
物理学家和畅销书作家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）于2012年在西雅图表演了一个项目。尽管他对科学做出了一些巨大的贡献，但他关于黑洞衰变的类比已经贡献到一代被误导的物理学家、物理学学生和物理学爱好者。
斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）的科学生涯中最伟大的想法真的彻底改变了我们怎样思考关于黑洞的。毕竟，它们并不是完全黑的，而且霍金真的是首先理解并预测了它们应该发射辐射的：霍金辐射。他在1974年推导出了这个结果，这是量子世界和我们的引力理论爱因斯坦的广义相对论之间最深刻的联系之一。
然而，在他1988年出版的具有里程碑意义的著作《时间简史》（A Brief History Of Time）中，霍金描绘一幅这种辐射的图片------自发创造的粒子-反粒子对其中一个成员掉进去而另一个成员逃脱------这是非常不正确的。32年来，它已经误导了物理学生、外行人、甚至是专业人士。黑洞真的确实衰变。让我们把今天作为我们发现它们实际上怎样做到这一点的日子。
事件地平线本身的特征，在来自它后面的射电发射背景下的剪影被事件地平线望远镜在一个大约6000万光年远的星系中揭示。虚线代表光子球的边缘，而事件地平线本身甚至位于那个的内部。在事件地平线之外，少量辐射不断被发射：霍金辐射，这最终将对这个黑洞的衰变负责。
霍金会已经让我们想象的是一幅相对简单的画片。从一个黑洞开始：一个空间的区域，在那里如此多的质量已经被集中成如此一个小的体积中以至于在它里面甚至光不能逃脱。所有冒险离它太近的东西都将不可避免地被吸引到中心奇点，可逃脱和不可逃脱的区域之间的边界被称为事件地平线。
现在，让我们加入量子物理学。在一个基本层面上空间永远不能是完全空的。相反，有宇宙本身的织造中固有的实体------量子场------总是无处不在的。而且，就像所有量子实体一样，对它们也有固有的不确定性：任何位置的每个场的能量都会随时间波动。这些场波动是非常真实的，甚至在没有任何粒子的情况下发生。
量子色动力学（QCD）的一个可视化说明粒子/反粒子对怎样因为一个海森堡不确定性的结果在非常短的时间量内蹦出量子真空的。量子真空很有趣，因为它要求空的空间本身不是如此空，而是充满了描述我们宇宙的量子场论所要求的所有粒子、反粒子和处于各种状态的场。把这些放在一起，你会发现空的空间有一个实际上大于零的零点能量。
在量子场论的背景下，一个量子场的最低能量状态对应于不存在粒子。但激发态或者对应于更高能的状态，对应于要么粒子要么反粒子。一种常用的可视化是来将空的空间视为真正的空，但被短暂的蹦入存在在很短的时间内湮灭回到虚无的真空粒子 - 反粒子填充（因为守恒定律）。
正是在这里，霍金的著名图片------他严重不正确的图片------来进入发挥作用。他断言在整个太空中，这些粒子-反粒子对正在蹦入和蹦出存在。在黑洞内部，两个成员都呆在那里，湮灭，什么没发生。在黑洞之外，这是同样的交易。但就在事件地平线附近，一个成员能掉进去而另一个成员能逃脱，他宣称这携带真正的能量。这就是为什么黑洞失去质量、衰变以及霍金辐射来自的地方。
在霍金最著名的著作《时间简史》（A Brief History of Time）中，他做了一个类比，即空间中充满了粒子-反粒子对，一个成员能逃脱（携带正能量），而另一个成员落进去（负能量），导致黑洞衰变。这个有缺陷的类比继续使几代物理学家和外行人困惑。
这是我自己作为一个理论天体物理学家从来听到的黑洞怎样衰变的第一个解释。如果这个解释是真实的，这会意味着：
1.
2.
3.
当然，这三点都不是真的。霍金辐射几乎专有的由光子组成，而不是粒子和反粒子的混合物。它被从事件地平线外的大区域发射，而不光是在表面上。发射的单个量子在相当大的范围内有微小的能量。
在一个史瓦西黑洞的事件地平线内外，空间要么像一个自动人行道要么一个瀑布一样流动，这取决于你想怎样可视化它。但是在事件地平线之外，由于空间的曲率辐射能被产生，将能量带走，并造成黑洞的质量随着时间缓慢缩小。
关于这个解释的奇怪之处在于，这不是他用在撰写关于这个主题的科学论文中的解释。他知道这个类比是有缺陷的，会导致物理学家不正确的思考它，但他选择把它呈现给公众就好像人们没有能力理解实际起作用的真正机制一样。这太糟糕了，因为实际的科学故事不是太复杂的，但远更启发性的。
空的空间确实在整个空间中有量子场，而这些场在它们的能量值中确实有波动。在“粒子-反粒子对生产”的类比中有一个真理的萌芽，它是这样的：在量子场论中，你能通过将包含这些粒子产生的图表加起来模拟空的空间的能量。但这只是一种计算技术，粒子和反粒子不是真实的而是虚拟的。它们实际上并没有产生，它们确实不与真实的粒子相互作用，并且无论它们都不能被检测到。
一些贡献到量子电动力学中零点能量的术语。由于费曼，施温格和托莫纳加，这一理论的发展让他们在1965年被授予诺贝尔奖。这些图表可能显示蹦入蹦出存在的粒子和反粒子，但这只是一个计算工具，这些粒子不是真实的。
对于任何位于宇宙任何地方的观察者来说，“空的空间的能量”这我们称之为零点能量无论它们在哪里都出现有相同的值。然而，相对论的规则之一是，不同的观察者会感知到不同的现实：在相对运动或空时曲率不同的区域中的观察者尤其会彼此不同意。
因此，如果你无限远离宇宙中的每一个质量源，你的空时曲率可以忽略不计，你将拥有一定的零点能量。如果其他人位于黑洞的事件地平线，他们将拥有一定的零点能量，这对他们就像你无限远的相同的测量值。但是如果你尝试将零点能量映射到他们的零点能量（反之亦然），则值不会一致。从彼此的角度来看，零点能量相对于两个空间怎样被弯曲的变化。
点质量的严重弯曲空时的描画，对应于位于一个黑洞事件地平线外的物理场景。随你越来越接近质量在空时中的位置，空间变得更被严重弯曲，最终导致一个甚至冲中光线都不能逃脱的位置：事件地平线。不同位置的观察者对量子真空的零点能量是的将是不一致的。
这是霍金辐射背后的关键点，斯蒂芬霍金他自己也知道这一点。1974年，当他第一次推导出霍金辐射时，这是他进行的计算：计算量子场中零点能量的差异，从一个黑洞周围的弯曲空间到无限远的平坦空间。
这种计算的结果是决定从一个黑洞发出的辐射的属性的：不专门的来自事件地平线，而是来自它周围的整个弯曲空间。它告诉我们辐射的温度，这取决于黑洞的质量。它告诉我们辐射的光谱：一个完美的黑体，指示光子的能量分布，如果通过E = mc²有足够的能量可用，大质量粒子和反粒子也是如此。
黑洞的事件地平线是一个球形或球状区域，从中没有任何东西甚至光能逃脱。但在事件地平线之外，黑洞被预测会发出辐射。霍金1974年的工作是第一个证明这一点的，这可以说是他最伟大的科学成就。这给我们带来了一个惊人的结论：所有弯曲空时的坍塌天体都应该发出霍金辐射。它可能是一个微小的、难以察觉的霍金辐射量，被热辐射淹没，就我们能计算的甚至长期死亡的白矮星和中子星。但它仍然存在：它是一个正的非零值能计算的，仅取决于天体的质量，自旋和物理大小。
随着黑洞因霍金辐射失去质量，蒸发速率增加。经过足够的时间后，“最后一道光”的璀璨闪光在一股高能黑体辐射流中释放出来，既不利于物质也不偏向于反物质。
霍金的他自己理论的解释的主要问题是他采用了一种计算工具------虚拟粒子的想法------并将该工具视为等同于它的物理现实。实际上，正在发生的事情是由于黑洞周围的曲率梯度，黑洞周围的弯曲空间恒定的发射辐射，并且那个能量正在来自黑洞本身，导致它的事件地平线随着时间缓慢缩小。
黑洞没有因为有一个下落的携带负能量的虚拟粒子正在衰变，;这是由霍金为“拯救”他的不充分类比设计的另一个幻想。相反，黑洞正在衰变并随着时间失去质量，因为由霍金辐射发出的能量正在缓慢地减少该区域中空间的曲率。一旦足够的时间过去了，对于现实的黑洞持续时间是巨大的，它们就会完全蒸发。
黑洞的模拟衰变不仅导致辐射的发射，而且导致保持大多数天体稳定的中心轨道质量的衰变。然而，一旦衰变速率超过增长率时黑洞将真正开始衰变。对于我们宇宙中的黑洞来说，这种情况不会发生，直到宇宙的年龄达到它目前年龄的100亿倍。
这些中没有一个应剥夺霍金在这方面的巨大成就。正是他意识到了黑洞热力学、熵和温度之间的深层联系。正是他将量子场论的科学和黑洞附近弯曲空间的背景结合在一起。正是他------非常正确地请注意------弄清楚了黑洞将产生的辐射的属性和能谱。黑洞经由以他的名字命名的霍金辐射衰变方式是绝对合适的。
但他在他最著名的著作《时间简史》（A Brief History of Time）中提出的有缺陷的类比是不正确的。霍金辐射不是来自事件地平线发射的粒子和反粒子。它不涉及一个携带负能量的向内落下的对成员。它甚至不应该是黑洞所独有的。斯蒂芬·霍金知道黑洞怎样真正衰变的，但他告诉世界一个非常不同甚至不正确的故事。现在是我们都知道真相的时候了。
我（Ethan Siegel）是一名博士天体物理学家、作家和科学传播者，在各个学院教授物理学和天文学。我已经赢得..
https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/07/09/yes-stephen-hawking-lied-to-us-all-about-how-black-holes-decay/?sh=5db0b3ef4e63
喜欢
0
赠金笔